COMSOL Multiphysics

Tags: CAD/CAE

od verze 3.5a k verzi 4.0

V přednášce na konferenci Technical Computing Prague 2009, kterou pořádala společnost Humusoft, byli účastníci seznámeni s novinkami, které se blíží s příchodem nové verze programu COMSOL Multiphysics. Teď tuto možnost mají i čtenáři časopisu CAD. Pro ty z vás, kteří o programu COMSOL Multiphysics slyší poprvé, připomínám, že se jedná o nástroj určený k modelování fyzikálních jevů popsaných parciálními diferenciálními rovnicemi (PDE) s následným řešením metodou konečných prvků. Někdy se říká metodě, kterou COMSOL Multiphysics využívá, Equation Based Modeling. Základem popisu fyzikálních jevů jsou příslušné parciální diferenciální rovnice uložené v přiložené knihovně PDE.

COMSOL Multiphysics je systém, který se skládá z jádra a z volitelných nadstavbových modulů, jejichž schéma je vidět na zobrazeném slajdu. Vedle specifických oblastí, které zastupují specializované moduly, jako jsou např. přestup tepla, pružnost a pevnost, elektromagnetismus a další, může jádro COMSOL Multiphysics komunikovat s Matlabem, který tvoří jeho základní programovací prostředí. COMSOL Multiphysics může dále komunikovat v on-line režimu s externími CAD systémy, jako je SolidWorks a Autodesk Inventor, a přes rozšiřující rozhraní CAD Import Modulu může načítat geometrie ze systémů CATIA a Pro/E. Zájemcům z oblasti chemie můžeme sdělit, že program Reaction Engineering Lab čte soubory ve formátu CHEMKIN a JANAF a výsledky výpočtu pak lze do prostředí COMSOL Multiphysics importovat přes rozhraní v Chemical Engineering Modulu.

Struktura systému COMSOL Multiphysics

Přes specializované AC/DC, RF a MEMS moduly lze do COMSOL Multiphysics importovat geometrické soubory popisující desky plošných spojů (vytvořené v ECAD) ve formátu ODB++ a potom na nich analyzovat různé fyzikální vlivy, jako je např. teplo a tepelné zatížení.

V biomedicíně lze COMSOL Multiphysics využít přes software třetích stran, jako je Mimics a Simpleware, které převedou rastrové soubory z CT a magnetické rezonance (MRI) na soubory vektorové, popřípadě v 3D geometrii vygenerují příslušnou FEM síť. Importem do prostředí COMSOL Multiphysics je umožněna další analýza kostí nebo tkání.

Nové grafické rozhraní

To bylo krátké shrnutí současné verze 3.5a. V následujících řádcích si ukažme některé novinky a nové vlastnosti verze 4.0. V prvé řadě je třeba upozornit, že verze 4 bude s uživatelem komunikovat jiným způsobem než verze aktuální. Nové grafické rozhraní má být přehlednější a potřebné informace o modelu a jeho analýze má mít uživatel neustále na očích v přehledné stromové struktuře.

Model Builder

Nejdůležitějším nositelem informací, které má uživatel stále před sebou, je Model Builder, který je vlastně vodítkem v pracovním postupu uživatele a současně rychle usnadňuje přístup k informacím při analýze modelu. Definice materiálů při zadávání fyziky se provádí jenom jednou, to znamená, že v dalších zvolených aplikačních režimech se přebírají informace z prvotního zadání. Lze zadávat sekvence pro čtyři části FEM analýzy – geometrie, síť, řešení a vizualizace, a v důsledku toho může řešení modelu probíhat ve více variantách. Výsledky řešení pak lze rychle porovnávat.

Podpora clusterů a propojení s CAD systémy

Co bude nového uvnitř nové verze V4? Plnohodnotná práce v clusterech bude zajištěná řešiči MUMPS (MUltifrontal Massively Paralel direkt Solver) a SPOOLES. Podpora clusterů je určena pro operační systémy Linux a Microsoft Computer Cluster Server 2003 a 2008. Důležitou zprávou pro vlastníky síťových licencí je možnost bezplatného využití neomezeného počtu nodů (uzlů) v clusteru pro jednoho uživatele (jeden klíč), což zatím žádná firma nenabízí. Dále budou k dispozici nové řešiče pro modální analýzu a některé předdefinované typy analýz, jako je např. analýza malých signálů v elektromagnetismu nebo zatížení konstrukcí s předpětím.

Propojení s externími CAD systémy bude zajištěno přes rozhraní LiveLink for SolidWorks, LiveLink for Inventor a LiveLink for Pro/E.

Nové moduly

Společně s příchodem verze 4 se chystají také další nové specializované moduly. Pro proudění to bude CFD modul, dále Elektrochemický modul a Plazma modul.

Elektrochemický modul

CFD modul kombinuje ve výpočetních možnostech nejlepší vlastnosti standardních CFD softwarových balíků s multifyzikálními vlastnostmi COMSOL Multiphysics. Modul bude obsahovat také rozhraní pro rotační stroje pro turbulentní i laminární proudění. Výpočty pro klasické obtékání a proudění budou rozděleny na turbulentní proudění a proudění s vlivem stlačitelnosti. Turbulentní modely budou typu k-ε a k-ω a také se zahrnutím malých Reynoldsových čísel. Dále bude k dispozici Spalart-Allmarasův model (1 rovnice pro turbulentní viskozitu), SST model (Shear-Stress Transport model) a Large Eddy Simulation model (LES). K popisu stlačitelného proudění bude sloužit Navier-Stokesova rovnice a Eulerovy rovnice. Jaké typy proudění bude možné pomocí CFD modulu simulovat? Bude to viskoelastické proudění (zobecněný Maxwellův model a Oldroyed-B modely), proudění více fází, pohyb těžkých částic v proudu tekutiny, proudění v pórovitých médiích, proudění v potrubí a laminární proudění včetně tenkých vrstev, např. mazání mechanismů. Úlohy z dynamiky tekutin jsou v oblasti simulace jedny z nejnáročnějších výpočtů vůbec (množství dat, výpočetní výkon a nároky na paměť). Je třeba tedy vytvářet pro výpočet ty nejlepší podmínky, což je např. využití clusterů, segregované řešiče a pro dobrou konvergenci numerická stabilizace.

Další novinkou je Elektrochemický modul, který umožňuje modelovat procesy na rozhraní elektrod a elektrolytu. Pomocí aplikací zmíněného modulu lze například řešit bateriové články, akumulátory, fotovoltaické články, korozi, atd. Multifyzikální úlohy definující průběh elektrochemické reakce mohou být kombinované výpočty např. proudění, elektromagnetismu a přestupu tepla.

Poslední novinkou je Plazma modul určený k analýze procesů ve všech nejaderných plazma reaktorech. Oblasti využití jsou například v oblasti polovodičů (ve výrobě mikročipů), světelných zdrojů (úsporné žárovky, LCD televizory, plazmové lampy), medicíně (sterilizace injekčních stříkaček, čištění zubů) a dalších, jako je kosmonautika, nepromokavé oblečení, zkraty, atd. Pomocí již používaného RF modulu bude možné modelovat plazma udržované elektromagnetickým vlněním, přes již existující AC/DC modul bude možné modelovat plazma udržované indukovaným proudem.

Termín uvedení na trh

Pokud se týká termínů, kdy by měly být uvedené novinky k dispozici, zatím předpokládáme, že COMSOL Multiphysics 4 bude uvolněn do prodeje na přelomu měsíců březen/duben s tím, že budeme mít k testování v alfa verzi moduly CFD a Plazma.

Autor pracuje ve společnosti Humusoft.

Autor článku (zcela vpravo)